基于单片机的酒精检测仪专业课程设计.doc

1 甲醇测试仪总体方案设计1.1 甲醇浓度检测仪设计规定分析设计甲醇浓度测试仪应具备如下特点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LED显示以及键盘响应电路，无需要其她计算机，顾客就可以与之进行交互工作，完毕数据采集、存储、计算、分析等过程。（2）系统具备低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）从便携式角度出发，系统成功使用了数码管显示屏以及小键盘。由单片机系统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作，界面和谐。（4）软件设计简朴易懂。1.2 甲醇浓度检测仪设计方案设计时，考虑甲醇浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出是0-5伏电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因而，可以直接把传感器输出电压值通过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行解决。此外，还需接人LED显示，4*4键盘，报警电路等。其总体框图如图2.1所示。被测环境气敏传感器A/D转换电路单片机声光报警电路LED显示键盘图1.1 基本工作原理图2 硬件设计2.1 传感器选取本系统采用气敏传感器直接测量是空气中甲醇浓度。传感器只能采对甲醇气体敏感，对其她气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器,这是考虑到周边空气中气体成分也许影响传感器测量精确性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和测量电极、SnO2敏感层和加热器构成敏感元件固定在塑料或不锈钢腔体内，加热器为气敏元件工作提供了必要工作条件。MQ3型气敏传感器有很高敏捷度、良好选取性、长期使用寿命和可靠稳定性。传感器原则回路有加热回路和信号输出回路两某些构成，它可以精确反映传感器表面电阻值变化。传感器表面电阻RS变化，是通过与其串联负载电阻RL上有效电压信号VRL输出面获得。负载电阻RL可调为05-200K。加热电压Uh为5v。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。MQ3型气敏传感器构造和外形、原则回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度关系图如图3-3所示。普通在测量前需将传感器预热5分钟，这个样子是为了使测量精度达到最高，误差最小，需要找到适当温度。 图2.1 MQ3 构造和外形图2.2 MQ3 构造图2.2 A/D转换电路在单片机应用系统中，被测量对象关于变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成持续变化模仿电信号（电压或电流），这些模仿电信号必要转换成数字量后才干在单片机中用软件进行解决。实现模仿量转换成数字量器件称为A/D转换器（ADC）。A/D转换器大体分有三类：一是双积分A/D转换器，长处是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D转换器，精度、速度、价格适中；三是-A/D转换器。该设计中选用是ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。0809具备8路模仿信号输入端口，地址线（23-25脚）可决定那一路模仿信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一种2s高电平脉冲时，就开始A/D转换。7引脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出容许端，当OE脚为高电平时，A/D转换数据输出。10脚为0809时钟输入端。2.2.1 ADC0809引脚及功能逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最惯用A/D转换器件。芯片采用是ADC0809，如下简介ADC0809引脚及功能。芯片如图3.4所示。 图2.3 ADC0809引脚ADC0809是一种逐次比较式8路模仿输入、8位数字量输出A/D转换器。由图可见，ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。重要引脚功能如下： IN0-IN7是8路模仿信号输入端。 D0-D7是8位数字量输入端。 A、B、C与ALE控制8路模仿通道切换，A、B、C分别与3根地址线或数据线相连，3位编码相应8个通道地址端口。需要注意是：ADC0809虽然有8路模仿通道可以同步输入8路模仿信号，但每个瞬间只能换1路，共用一种A/D转换器进行转换，各路之间切换由软件变化C、A、B引脚上代码来实现。地址锁存与译码电路完毕对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选取，其转换成果通过三态输出锁存器存储、输出，因而可以直接与系统数据总线相连，图2.4为通道选取表。图2.4 通道选取表 OE、START、CLK为控制信号端，OE为输出容许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。 VR(+)和VR(-)为参照电压输入端。2.2.2 ADC0809构造及转换原理ADC0809构造框图如图3-6。ADC0809采用逐次比较办法完毕A/D转换，由单一+5V电源供电。片内有锁存功能8路选1模仿开关，由C、B、A引脚功能来决定所选通道。0809完毕一次转换需100s左右，输出具备TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51数据总线上。通过恰当外接电路，0809可对0-5V模仿信号进行转换。START CLKOEVR(+) VR()VCCGNDEOCD0.D7三态输出锁存器8位A/D转换器地址锁存与密码CBAALE8 路模仿量开 关IN7.IN0图2.5 ADC0809构造框图2.2.3 ADC0809连线图ADC0809与单片机连线图如图2.6：图2.6 ADC0809连线图2.3 89C51单片机系统单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具备数据解决能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断解决)微解决器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，也许还涉及定期计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模仿多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一种虽小然而完善计算机系统。这些电路能在软件控制下精确、迅速、高效地完毕程序设计者事先规定任务。2.3.1 单片机片内构造51单片机片内构造如图3-8所示。它把那些作为控制应用所必须基本内容都集成在一种尺寸有限集成电路芯片上。按功能划分，它有如下功能部件构成： 微解决器（CPU）。 数据存储器(RAM)。 程序存储器（ROM/EPROM）。 4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。 一种串行口。 2个16位定期器、计数器。 2个16位定期器、计数器。 中断系统。 特殊功能寄存器（SFR）。PSEN88EOCXTAL1CPU（运算器）（控制器）数据存储器RAMP0P0P2ROM/EPROMSFR8P2程序存储器ROM/EPROMP1串行口定期器/计数器中断系 统特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I0XTAL288RESET图2.7 51单片机片内构造上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本构造仍旧是CPU加上外围芯片老式构造模式。但CPU对各种功能部件控制是采用特殊功能寄存器集中控制方式。从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容新一代AT89CXX系列机，比在片外加EPROM才干相称8031单片机抗干扰性能强，与87C51单片机技能相称，但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V电源擦除，更显以便、并且其工作电压放宽至2.7V-6V，因而受电压波动影响更小，并且4K程序存储器完全能满足单片机系统软件规定，故AT89C51单片机是构造本检测系统更抱负选取。2.3.2 89C51芯片简介掌握MCS-51单片机，应一方面理解MCS-51引脚，熟悉并紧记各引脚功能，MCS-51系列中各种型号芯片引脚是互相兼容。制作工艺为HMOSMCS-51单片机都采用40只引脚双列直插封装方式，如图3-9所示。图2.8 AT89C51芯片管脚图40只引脚按其功能来分，可分为如下3类： 电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机工作电源。Vcc接+5V电源，Vss接地。时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内反相放大器构成了1个晶体振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接独立晶体振荡器。XTAL1接外部一种引脚。该引脚内部是一种反相放大器输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2接外部晶体另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接受时钟振荡器信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器输入端。 控制引脚：、ALE、RESET（RST）。此类引脚提供控制信号，有还具备复用功能。 RST/VPD引脚：RESET（RST）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运营时，在此引脚加上持续时间不不大于2个机器周期（24个振荡周期）高电平时，就可以完毕复位操作。在单片机工作时，此引脚应为0.5V低电平。VPD为本引脚第二功能，即备用电源输入。当主电源发生故障，减少到某一规定值低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM信息不丢失，从而使单片机在复位后能正常进行。 ALE/ 引脚：ALE引脚输出为地址锁存容许信号，当单片机上电正常工作后ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号负跳沿用于单片机发出低8位地址经外部锁存器锁存锁存控制信号。虽然不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率1/6。 为该引脚第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 引脚：程序存储器容许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器选通信号。此引脚接外部程序存储器OE（输出容许端）。 /VPP引脚：功能为片内程序存储器选取控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH时，即超过片内程序存储器4KB地址范畴时将自动转向执行外部程序存储器内程序。当引脚为低时，单片机只访问外部程序存储器，无论与否有内部程序存储器。 I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为四个8位I/O口外部引脚。P0口、P1口、P2口、P3口是3个8位准双向I/O口，各口线在片内均有固定上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，此外准双向口I/O口无高阻“浮空”状态。由于单片机具备体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，因此本系统采用89C51单片机，硬件设计电路图如图1所示。89C51内部有4KBEPROM，128字节RAM，因此普通都要依照所需存储容量大小来扩展ROM和RAM。本电路接高电平，没有扩展片外ROM和RAM。 2.3.3 晶振电路和复位电路电路图如下：图2.9 晶振与复位电路2.4 LED显示电路LED显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位段码线上保持段码电平，该位就能保持相应显示字符。电路中采用了锁存译码器MC14495将P1口低4位输出BCD码译成七段字型码，运用P1口高四位做为各锁存译码器所存信号，实现稳定显示。LED使用是共阴极7段数码管。数码管显示电路如下图2.10 数码管显示电路2.5 键盘电路键盘有两种工作方式：编码式键盘和非编码式键盘。解决方式有扫描法和线反转法。本设计采用是非编码键盘，并运用扫描法解决按键，消抖由软件实现。键盘扫描电路图2.11：图2.11 按键电路2.6 报警电路报警电路图2.12：图2.12 报警电路3 软件设计3.1 主程序框图主程序流程图如下图3.1所示。初始化LCD显示子程序数据解决子程序键盘扫描子程序序A/D转换子程序序不不大于阈值？声光报警N开始Y图3.1 主程序框图3.2 数据采集子程序程序框图A/D转换子程序流程图如下图3.2所示。ADC0809初始化后，把0通道输入0-5V模仿信号转换为相应数字量OOH-FFH，然后将相应数值存储到内存单元。程序框图如图3.2开始启动ADC0809通道，并延时100s转换完？读出A/D转换成果成果存入内存单元返回YN图3.2 数据采集子程序框图3.3 报警子程序程序框图系统设定阈值并保存在以50H开始3个单元，为了便于比较和显示，阈值千位放入50H中，百位和十位放入5lH，个位放人52H中。报警电路分为蜂鸣器报警电路和LED发光报警电路构成。当输入端P3.5为低电平时，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出声音报警。而当输入端为高电平时不报警。报警子程序执行之前，将报警阈值转换为压缩BCD码并存储在两个存储单元中。传感器输入值A/D转换后，调用比较程序，通过数据解决后显示测量值与阈值比较，不大于阈值则继续执行显示程序。若不不大于阈值则将单片机P3.5口清零进行声光报警。40H、4lH、42H单元存储A/D转换后，并进行十进制转换后成果。40H和50H分别存储是解决后测量值与阈值千位压缩BCD码，41H和51H分别存储是解决后测量值与阈值百位、十位压缩BCD码，42H和52H分别存储是解决后测量值与阈值个位压缩BCD码。程序一方面对40H、50H中值进行比较大小，如果40H中值不不大于50H中值，则进行报警。依此类推，比较41H和51H，42H和52H。程序框图如图3.3：开始40H中BCD码大？与阈值相等？41H中BCD码大？42H中BCD码大？返回YYY报警NNNNNYY与阈值相等？图3.3 报警子程序流程框图总结通过一周努力，终于完毕了智能仪器课程设计。这是我第一次基于单片机独立设计一种东西，并且教师只给出了大体规定。这对于我来说是很有挑战性。一方面这是一种基于单片机课程设计，单片机是这学期学习课程，虽然不陌生，但是用起来还发现诸多问题。硬件方面还好解决，弄明白就可以了，但软件方面就非常困难了，虽然此前还做过这方面实验，但那都是是些简朴应用。这次设计真让我长进了诸多，单片机课程设计重点就在于软件算法设计，需要有很巧妙程序算法，有好多东西，只有咱们去试着做了，才干真正掌握，只学习理论有些东西是很难理解，更谈不上掌握。另一方面，就是使用到各种元器件。这次我使用基本上都是已经学过元件，但真正用起来才发现自己还差诸多，因此我又重新对所用到器件仔仔细细，认认真真研究了一遍从引脚，届时序，再到最后电路整体构成，下了非常大功夫才最后弄出来。回顾起本次单片机课程设计，我仍感触颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才干真正为社会服务，从而提高自己实际动手能力和独立思考能力。这让我学到了诸多课本上没有东西，扩展了自己视野，增强了自己动手能力，苏醒结识到自己局限性，培养了小心谨慎作风，使自己对课题设计理解进一步加深。总之，本次课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来难忘一次经历。参照文献：1.程德福,王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2.赵广林. protel99电路设计与制版.北京：电子工业出版社，3.王洪君.单片机原理及应用.济南：山东大学出版社.4.王祁.智能仪器设计基本.北京：机械工业出版社.附录道谢 这次课程设计可以顺利完毕得到了系领导教师大力支持和协助，特别是咱们小组指引教师邱雄迩教师，在百忙之中抽出宝贵休息时间，仔细耐心地为咱们指引。设计过程中，邱教师帮咱们分析遇到种种困难，始终支持、勉励咱们要有解决问题信心，才使得设计得以顺利完毕。在设计同步，和同窗之间互相探讨也使我受益匪浅。在此，我对她们表达由衷感谢！电子信息技术日新月异地飞速发展，人们总是处在不断学习阶段，因此本设计必定存在许多不尽如人意地方，欢迎广大教师和同窗批评指正。最后，要感谢电气系所有教师，她们精心栽培为我后来学习和工作打下了坚实基本。